水环境条件下熔融沉积成型木质聚乳酸复合材料的力学特性与可逆塑化效应研究

本研究系统探讨了FDM（熔融沉积成型）技术制备的木质聚乳酸（Wood-PLA）复合材料在水环境中的力学性能演变规律，揭示了水分吸收诱导的可逆塑化机制，为生物基复合材料在潮湿环境中的结构设计与耐久性评估提供了重要理论依据。

　　

2 方法与材料

2.1 材料与样品制备

采用两种商用线材：纯聚乳酸（PLA EF 3D850，直径2.85 mm）和含40%松木纤维的木质-PLA复合材料（直径2.85 mm）。使用Ultimaker S5 FDM打印机，通过激光切割技术制备符合ASTM D638标准的IV型拉伸试样，以及单边缺口弯曲（SENB）试样（含4 mm和10 mm两种缺口长度）。打印参数统一设定为：层高0.2 mm，线宽0.8 mm，打印温度210°C，构建温度28°C，打印速度35 mm/s。

2.2 水吸收与力学测试

样品分为对照组（未浸水）、湿润组（浸水3/7/10/15天）和再干燥组。水吸收率按ASTM D570-22标准测定。力学测试采用万能试验机（AGX-50kN）进行拉伸（2 mm/min）和SENB测试（4 mm/min），并结合数字图像相关（DIC）技术分析应变分布。应变能量密度通过应力-应变曲线积分计算。

2.3 化学与热学表征

采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析羟基分布，使用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性与玻璃化转变温度（T_g）。

3 结果与讨论

3.1 未浸水状态下PLA与木质-PLA的力学性能

3.1.1 打印质量

木质-PLA表面粗糙且存在纤维拉丝现象，源于木纤维与PLA基体的流动差异性。尺寸分析显示木质-PLA质量偏差为6.4%，厚度偏差为2.4%，略高于纯PLA（3.2%）。

3.1.2 拉伸性能

木质-PLA的极限拉伸强度（23.4 MPa）较纯PLA（54.6 MPa）降低57%，杨氏模量（1495 MPa）仅为PLA的52.7%。但断裂伸长率（4.7%）和应变能量密度（8.91×10^-7 J/m³）显著高于PLA，体现其增韧特性。DIC应变云图显示木质-PLA具有均匀塑性变形能力。

3.1.3 SENB测试

木质-PLA表现出锯齿状断裂路径和更高的能量吸收（4 mm缺口：2.90 J；10 mm缺口：2.13 J）。缺口长度影响裂纹扩展模式：10 mm缺口试样先发生水平层间剥离，后转为垂直扩展。

3.2 水吸收与热学分析

3.2.1 吸水性

木质-PLA的吸水率（15天后9.81%）是PLA（0.45%）的21.7倍。FTIR在3000-4000 cm^-1区间的吸收峰增强证实羟基含量增加。

3.2.2 热学性能

水分使木质-PLA的T_g从57.2°C降至55.5°C，纯PLA的T_g变化不明显。TGA曲线显示木质-PLA在低温区有水分蒸发导致的失重台阶。

3.3 浸水后的拉伸性能

浸水导致木质-PLA强度下降20%，模量降低10%，但断裂伸长率增加66%，能量吸收能力提升48%。Jonckheere-Terpstra检验证实性能变化与浸水时间呈单调关系。再干燥后力学性能基本恢复，证明水分子仅起可逆塑化作用。

3.4 浸水后的SENB测试

水分对峰值载荷无显著影响，但延长了力-位移曲线的下降段，使木质-PLA的能量吸收增加15%-36%。纯PLA的SENB性能变化微弱，与其低吸水性一致。

4 结论

木质-PLA复合材料虽强度低于纯PLA，但具备优异的能量吸收能力和水分诱导的可逆塑化特性。短期浸水导致强度降低而韧性提升，再干燥后性能恢复。该研究为生物基材料在潮湿环境中的应用提供了性能演变规律与机制解释。